初學者的Docker：容器的實用指南

教學
Docker Kubernetes

當我開始使用Docker時，我很快意識到它有多強大。想像一下，在幾分鐘內設置開發環境，而不是幾小時，或者在不同機器上運行應用程序而不出現經典的“在我的機器上運行正常”的問題。

Docker通過將應用程序打包成輕量級、可移植的容器，簡化了我們構建、交付和運行應用程序的過程。無論您是開發人員、數據科學家還是系統管理員，掌握Docker都可以幫助您避免麻煩，讓您的工作流程更加高效。

在本教程中，我將帶您了解基礎知識——安裝Docker、理解關鍵概念以及運行第一個容器化應用程序。最終，您將不僅了解Docker的工作原理，還將親自使用它，為更高級的主題打下堅實基礎。讓我們開始吧！

什麼是Docker？

Docker是一個開源的容器化平台，通過將軟件及其依賴項打包成一個稱為容器的標準化單元，簡化了應用程序部署。與傳統虛擬機不同，Docker容器共享主機操作系統內核，使其更高效和輕量級。 Unlike traditional virtual machines 。

容器確保應用程式在開發、測試和生產環境中以相同方式運行。這減少了相容性問題，並增強了在各種平台之間的可攜性。由於其靈活性和可擴展性，Docker已成為現代DevOps和雲原生開發工作流程中的關鍵工具。

Docker官方標誌。

安裝Docker

Docker可以安裝在各種操作系統上，包括Windows、macOS和Linux。雖然核心功能在所有平台上保持一致，但安裝過程根據系統的不同略有差異。以下是您所選擇的操作系統上安裝Docker的逐步說明。

在Windows上安裝Docker

  1. 下載 Docker Desktop for Windows。

下載Windows的Docker Desktop安裝程式

  1. 運行安裝程序並按照設置說明操作。

安裝 Docker Desktop for Windows

  1. 如果提示，啟用 WSL 2 整合。
  2. 在 PowerShell 中運行 docker –version 來驗證安裝。

通過 Powershell 檢查安裝後的 Docker 版本

5. 從運行菜單中啟動 Docker Desktop 應用程式。

在 Windows 上啟動 Docker Desktop 應用程式

在 macOS 上安裝 Docker

  1. 下載 Docker Desktop for Mac。

下載 Mac 版 Docker Desktop 安裝程式

  1. 打開下載的 .dmg 檔案並將 Docker 拖曳到應用程式文件夾中。
  2. 啟動 Docker 並完成設置。
  3. 在終端機中使用docker –version來驗證安裝。

在Linux（Ubuntu）上安裝Docker

  1. 更新軟件包列表：sudo apt update
  2. 安裝依賴項：sudo apt install apt-transport-https ca-certificates curl software-properties-common
  3. 添加Docker的官方GPG金鑰：curl -fsSL https://download.docker.com/linux/ubuntu/gpg | sudo apt-key add -
  4. 添加Docker的存儲庫：sudo add-apt-repository "deb [arch=amd64] https://download.docker.com/linux/ubuntu $(lsb_release -cs) stable"
  5. 安裝Docker：sudo apt install docker-ce
  6. 驗證安裝：docker –version

基本Docker概念

現在您已經安裝了Docker，您可能急於開始運行容器。但在我們開始之前，了解幾個形成Docker工作基礎的關鍵概念很重要。這些概念將幫助您更有效地使用Docker並避免常見的初學者陷阱。

Docker 的核心是 映像，它們作為容器的藍圖； 容器，是這些映像的運行實例；以及 Docker Hub，一個集中式的存儲庫，用於共享和管理映像。

讓我們更詳細地探討這些概念。

Docker 映像

Docker 映像是容器的基本構建塊。它們是不可變的、唯讀的模板，包含運行應用程序所需的一切，包括操作系統、應用程序代碼、運行時和依賴項。

映像是使用 Dockerfile 構建的，該文件定義了逐層創建映像的指令。

映像可以儲存在容器註冊表中，並從中檢索，例如 Docker Hub。

以下是一些用於處理映像的示例命令：

  • docker pull nginx：從 Docker Hub 獲取最新的 Nginx 映像。
  • docker images：列出本地機器上所有可用的映像。
  • docker rmi nginx：從本地機器中刪除映像。

Docker 容器

Docker 容器是 Docker 映像的運行實例。容器提供了一個隔離的運行時環境，應用程序可以在其中運行，而不會相互干擾或影響主機系統。每個容器都有自己的文件系統、網絡和進程空間，但共享主機內核。

容器遵循一個簡單的生命週期，包括創建、啟動、停止和刪除。以下是常見容器管理命令的細分：

  1. 創建容器：docker create 或 docker run
  2. 啟動容器：docker start
  3. 停止容器：docker stop
  4. 重新啟動容器：docker restart
  5. 刪除容器：docker rm

讓我們看一個實際的例子。以下命令在脫離模式（在背景中運行）下運行一個 Nginx 容器，並將容器內的 80 端口映射到主機的 8080 端口：

docker run -d -p 8080:80 nginx

執行此命令後，Docker 將拉取 Nginx 映像（如果尚未可用），創建一個容器並啟動它。

要檢查所有正在運行和已停止的容器：

docker ps -a

這將顯示所有容器的列表以及其狀態和分配的端口等詳細信息。

Docker Hub

Docker Hub是一個基於雲的註冊服務，用於查找、存儲和分發容器映像。用戶可以將自定義映像推送到Docker Hub 並公開或私下共享。

以下是與Docker Hub 互動的一些命令：

  • docker login: 與Docker Hub 進行身份驗證。
  • docker push my-image: 將自定義構建的映像上傳到Docker Hub。
  • docker search ubuntu: 搜索官方和社區映像。
  • docker pull ubuntu: 從Docker Hub 下載Ubuntu映像。

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運行您的第一個Docker容器

現在我們已經介紹了Docker的核心概念，是時候將它們付諸行動了！讓我們從運行我們的第一個容器開始，以確保Docker已正確安裝並按預期運行。

要測試您的Docker安裝，打開PowerShell（Windows）或Terminal（Mac和Linux）並運行：

docker run hello-world

這將從DockerHub 下載hello-world映像並在容器中運行。

Docker hello-world映像示例

現在，讓我們更進一步，運行一個真實應用程序 – 一個 Nginx web 伺服器。執行以下命令：

docker run -d -p 8080:80 nginx

上述命令執行以下操作：

  • 參數 -d 以分離模式運行容器，表示它在後台運行。
  • 參數 -p 8080:80 將容器內部的端口 80 映射到本地機器的端口 8080，允許您訪問 Web 伺服器。

一旦命令成功運行，打開瀏覽器訪問：http://localhost:8080

訪問本機的 Web 伺服器：localhost:8080

您應該看到預設的 Nginx 歡迎頁面，確認您的 Web 伺服器正在容器內運行！

您還將在 Docker Desktop 中看到正在運行的容器：

Nginx 容器運行在端口 8080

建立您的第一個 Docker 映像

到目前为止，我们一直在运行来自Docker Hub的预构建映像。但是如果您需要针对您的应用程序量身定制的自定义环境呢？这就是构建自己的Docker映像的用武之地。。

创建Docker映像涉及编写一个Dockerfile，这是一个自动化构建映像的脚本。这确保了在不同环境中的一致性和可移植性。构建完成映像后，它可以作为容器运行，以在隔离环境中执行应用程序。

在本节中，我们将学习编写Dockerfile、构建自定义映像并将其作为容器运行的基础知识。

Dockerfile基础

一個 Dockerfile 是包含一系列指令的腳本，用於定義如何建構 Docker 映像。它自動化了映像創建過程，確保在不同環境中保持一致性。每個 Dockerfile 中的指令都會在映像中創建一個新的層。以下是一個簡單的 Python Flask 應用程序的 Dockerfile 範例：

# 包含 Python 運行時的基本映像
FROM python:3.9

# 在容器內設置工作目錄
WORKDIR /app

# 將應用程序文件從主機複製到容器中
COPY . /app

# 安裝 requirements.txt 中列出的依賴項
RUN pip install -r requirements.txt

# 定義當容器啟動時運行 Flask 應用程序的命令
CMD ["python", "app.py"]

在上述命令中：

  • -v my-volume:/app/data 將 my-volume 存儲掛載到容器內的 /app/data 目錄。
  • 即使容器停止或被刪除，存儲在 /app/data 中的任何數據都將持久存在。

對上面的 Dockerfile 進行分解：

  • FROM python:3.9: 指定具有預安裝 Python 3.9 的基本映像。
  • WORKDIR /app: 將 /app 設置為容器內的工作目錄。
  • COPY . /app: 將所有文件從主機當前目錄複製到容器中的 /app。
  • RUN pip install -r requirements.txt: 在容器內安裝所有必需的依賴項。
  • CMD ["python", "app.py"]: 定義容器啟動時要執行的命令。

構建和運行映像

一旦定義了 Dockerfile，您可以使用以下命令來構建和運行映像：

步驟 1: 構建映像

docker build -t my-flask-app .

上述命令：

  • 使用當前目錄（。）作為構建上下文。
  • 讀取 Dockerfile 並執行其指令。
  • 將生成的映像標記（-t）為 my-flask-app。

步驟 2: 將映像作為容器運行

docker run -d -p 5000:5000 my-flask-app

上述命令：

  • 以脫離模式運行容器（-d）。
  • 將容器內的5000端口映射到主機的5000端口（-p 5000:5000）。

運行後，您可以通過在瀏覽器中導航到http://localhost:5000來訪問Flask應用程序。

Docker 卷與持久性

默認情況下，Docker容器內的數據是臨時的—一旦容器停止或被移除，數據就會消失。為了在容器重啟之間持久化數據並在多個容器之間共享，Docker提供了卷，這是一種內置機制，用於有效管理持久存儲。

與將數據存儲在容器的文件系統內不同，Docker 通過單獨管理卷使其更高效、靈活且更易於備份。

在接下來的部分中，我們將探討如何創建和使用 Docker 卷來確保容器中的數據持久性。

創建和使用 Docker 卷

步驟 1：創建卷

在使用卷之前，我們需要創建一個。運行以下命令：

docker volume create my-volume

這將創建一個名為my-volume的命名卷，Docker 將單獨管理它，與任何特定容器分開。步驟 2：在容器中使用這個卷

現在，讓我們開始一個容器並將卷掛載到其中：

docker run -d -v my-volume:/app/data my-app

在上述命令中：

  • -v my-volume:/app/data 將 my-volume 存儲掛載到容器內部的 /app/data 目錄。
  • 存儲在 /app/data 中的任何數據將在容器停止或刪除時保留。

用於多容器應用程序的Docker Compose

到目前為止，我們一直在處理單容器應用程序，但許多現實世界的應用程序需要多個容器一起運行。例如，網絡應用程序可能需要後端伺服器、數據庫和快取層，每個都在自己的容器中運行。使用獨立的 docker run 命令手動管理這些容器可能很快變得乏味。

這就是Docker Compose的用途。

Docker Compose是什麼？

Docker Compose是一個簡化多容器應用程序管理的工具。您可以使用一個docker-compose.yml文件定義整個應用程序堆棧，並通過一個命令部署它，而不是運行多個docker run命令。

撰寫Docker Compose文件

現在，讓我們創建一個現實世界的示例——一個簡單的連接到MongoDB數據庫的Node.js應用程序。我們將它們定義在一個docker-compose.yml文件中，而不是分別管理這兩個容器。

以下是我們如何在Docker Compose中定義多容器設置：

version: '3'
services:
  web:
    build: .
    ports:
      - "3000:3000"
    depends_on:
      - database
  database:
    image: mongo
    volumes:
      - db-data:/data/db
volumes:
  db-data:

分解上面的文件：

  • version: '3'：指定Docker Compose版本。
  • services:：定義單個服務（容器）。
  • web:：定義Node.js Web應用程序。
  • database:：定義MongoDB數據庫容器。
  • volumes:：為MongoDB數據持久性創建一個命名卷（db-data）。

運行多容器應用程序

一旦docker-compose.yml文件準備就緒，我們可以使用一個命令啟動整個應用程序堆棧：

docker-compose up -d

上述命令以分離模式（-d）啟動Web和數據庫容器。

要停止所有服務，請使用：

docker-compose down

這會停止並刪除所有容器，同時保留卷和網絡設置。

Docker網絡基礎知識

到目前為止，我們專注於運行容器和管理存儲，但當容器需要彼此通信時會發生什麼？在大多數現實應用中，容器並不是獨立運行的，它們需要交換數據，無論是網絡伺服器與數據庫交互還是微服務彼此交互。

Docker提供了一系列網絡選項，以滿足不同的使用情況，從隔離的內部網絡到外部可訪問的配置。

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什麼是Docker網絡？

Docker網絡是一個內置功能，允許容器彼此通信，無論是在同一主機上還是在分佈式環境中跨多個主機。它提供了適用於不同部署場景的網絡隔離、分割和連接選項。

Docker支持多種網絡類型，每種類型滿足不同的使用情況：

  • Bridge（默認）：同一主機上的容器通過內部虛擬網絡通信。每個容器在橋接網絡中獲得自己的私有IP地址，它們可以通過容器名稱相互訪問。
    • 示例：docker network create my-bridge-network
    • 理想於在單一主機上運行多個容器，這些容器需要安全地進行通訊，而不將服務暴露於外部。
  • 主機: 容器共享主機的網絡堆疊，並直接使用主機的 IP 地址和端口。
    • 範例: docker run --network host nginx
    • 當您需要高性能且不需要網絡隔離時，此方法很有用，例如運行監控代理或低延遲應用程式。
  • 覆蓋：通過創建分佈式網絡，在不同主機上實現容器通信。
    • 示例：docker network create --driver overlay my-overlay-network
    • 設計用於像Docker Swarm這樣的編排部署，其中服務跨越多個節點。
  • Macvlan：為每個容器分配唯一的MAC地址，使其在網絡上顯示為物理設備。
    • 範例：docker network create -d macvlan --subnet=192.168.1.0/24 my-macvlan
    • 當容器需要直接網路訪問時使用，例如整合舊系統或與實體網路互動。

在自定義網路上運行容器

讓我們一起看看如何設置和使用自定義橋接網路 來進行容器通訊。

步驟 1：建立自定義網路

在運行容器之前，我們首先需要創建一個專用網路：

docker network create my-custom-network

此命令創建一個隔離的網路，容器可以加入以進行容器間通信。

步驟2：在網路上運行容器

現在，讓我們啟動兩個容器並將它們連接到我們新建的網路：

docker run -d --network my-custom-network --name app1 my-app
docker run -d --network my-custom-network --name app2 my-app
  • 使用--network my-custom-network標誌將容器連接到指定的網路。
  • 使用--name標誌分配一個唯一的容器名稱，這樣更容易引用。

現在app11和app2可以使用它們的容器名稱進行通信。您可以在其中一個容器內使用ping`命令來測試連接性：

docker exec -it app1 ping app2

如果一切設定正確，您將看到一個確認回應，表示容器可以互相通信。

檢查 Docker 網路

要驗證網路配置和連接的容器，請使用：

docker network inspect my-custom-network

此命令提供有關網路的詳細資訊，包括 IP 範圍、連接的容器和配置。

暴露和發布端口

當運行需要外部可訪問的容器時，您可以暴露特定端口。

例如，要運行一個 Nginx 網頁伺服器並在您本地機器的端口 8080 上暴露它，請使用：

docker run -d -p 8080:80 nginx

這將容器內的端口80映射到主機上的端口8080，使服務可以通過http://localhost:8080進行訪問。

最佳的Docker網絡實踐

  • 使用自定義網絡：在生產部署中避免使用默認的橋接網絡，以減少容器之間的意外訪問。
  • 利用基於DNS的發現：使用容器名稱而非硬編碼IP地址，以實現動態服務發現。
  • 限制外部暴露：使用防火牆或網絡策略來控制服務訪問。
  • 監控流量：使用像docker network inspect、Wireshark或Prometheus等工具來分析網絡流量並檢測異常。
  • 優化覆蓋網絡：如果在分佈式設置中部署，請調整覆蓋網絡以減少延遲，利用主機本地路由選項。

Docker最佳實踐和下一步

現在您已經學會了Docker的基礎知識，是時候提升您的技能，採用最佳實踐，幫助您構建安全、高效和可維護的容器化應用程序。

以下最佳實踐將幫助您優化Docker工作流程，避免常見陷阱。

  • 使用官方基本映像：始終優先使用官方且維護良好的基本映像，以確保安全性和穩定性。官方映像經過優化，定期更新，且不太可能包含漏洞。
  • 保持映像小巧：通過選擇精簡的基本映像（例如python:3.9-slim而不是python:3.9）來減小映像大小。刪除不必要的依賴和文件以優化存儲和拉取時間。
  • 使用多階段構建：通過分離構建和運行時依賴關係來優化 Dockerfile。多階段構建確保最終映像只包含必要的部件，從而減小大小和攻擊面。
  • 標記圖像:始終使用帶有版本號的標記（例如my-app:v1.0.0），而不是使用latest，以避免在拉取圖像時出現意外更新。
  • 掃描圖像以查找漏洞:在部署前使用安全掃描工具如docker scan、Trivy或Clair來識別和修復圖像中的安全漏洞。
  • 安全管理環境變數:避免將敏感憑證存儲在圖像內。使用Docker secrets、環境變數或像AWS Secrets Manager或HashiCorp Vault這樣的外部秘密管理工具。
  • 使用 .dockerignore 文件：排除不必要的文件（例如 .git, node_modules, venv），以减少构建上下文大小，并防止意外包含敏感文件在镜像中。
  • 启用日志记录和监控：利用诸如 Prometheus、Grafana 和 Fluentd 等工具进行容器日志和监控。使用 docker logs 检查日志，并启用结构化日志以获得更好的可观察性。

一旦掌握了 Docker 的基础知识，就有很多高级主题可以探讨。以下是一些值得探索的领域：

  • Docker Swarm 與 Kubernetes：探索 Docker Swarm（內建集群）以及 Kubernetes（企業級的編排，具備自動擴展和服務發現功能），以實現生產級的編排。
  • 容器安全最佳實踐：為了保護容器化應用程序，遵循 CIS Docker 基準指南並實施基於角色的訪問控制（RBAC）。
  • 使用 Docker 的 CI/CD 管道: 通過 GitHub Actions、GitLab CI 或 Jenkins 自動化映像構建、安全掃描和部署。
  • 雲原生開發: 利用 Docker 與 AWS ECS、Azure 容器實例和 Google Cloud Run 等雲平台進行可擴展和管理的部署。
  • 數據持久化策略: 為了最佳的存儲管理，了解 Docker 卷、綁定掛載和 tmpfs 之間的區別。

結論

Docker 已經革新了開發人員建立、打包和運行應用程式的方式，使其成為現代軟體開發中不可或缺的工具。

在本教程中，我們涵蓋了：

  • Docker 是什麼以及為什麼它如此重要
  • 如何安裝和運行您的第一個容器
  • 重要概念，如映像、容器和網路
  • 使用 Docker 卷進行持久性儲存
  • 使用 Docker Compose 的多容器應用程式
  • 安全性、性能和可擴展性的最佳實踐

但這僅僅是個開始！如果您想深入了解 Docker 專業知識，可以參加一個 初學者級別 Docker 入門課程。如需更深入的知識，您可以參加一個 中級 Docker 課程，該課程涵蓋多階段構建、Docker 網路工具和 Docker Compose。最後，您還可以追求 Docker 認證，有興趣的話可以查看 2025 完整 Docker 認證 (DCA) 指南！

Source:
https://www.datacamp.com/tutorial/docker-tutorial